基于圖像識別的隨流孕育自動加注系統應用研究

石振東，羅永革

（湖北汽車工業學院，十堰 442002）

0 引言

隨著工業的不斷發展，國內外市場對高質量鑄件的需求日益加快，高品質鑄件的生產成為鑄造廠家面臨的重要問題，且鑄件的合格率和操作人員的安全防護問題也與廠家的效益息息相關。影響鑄件質量的因素很多，其中澆注過程隨流添加孕育劑，能促進石墨化，減少白口傾向，改善石墨形態和分布狀況，增加共晶團數量，細化基體組織，對鑄件的質量起著至關重要的作用。孕育劑自身品質、加注時間、加注量和單位時間內加注量的均勻性都會影響到鑄件的品質，其中加注量和加注均勻性尤為重要，也是生產廠家面臨的技術難題。

目前國內外大部分鑄造廠家采用隨流孕育的方式，從而消除孕育衰退現象。隨流孕育一般采用人工加注或自動加注兩種模式。人工加注方式不需要任何附加設備，由操作人員現場根據澆注流程，手動添加孕育劑，加注現場如圖1所示。

圖1 人工加注現場圖

人工加注方式具有操作簡單，成本低廉的特點，但存在較多的技術缺陷及重大安全隱患。首先，加注量取決于操作人員的現場經驗，難以達到精確控制要求，同類產品澆注過程中，加注量一致性差；其次，操作人員通過類似漏斗的容器完成加注，加注速度手動調節，難以控制加注過程的均勻性；最后，加注操作時距離鐵水澆包很近，澆注過程中鐵水飛濺很容易傷及操作人員，其人身安全不能得到有效保證。

自動加注方式利用鐵水高溫的特點，應用紅外傳感器識別澆包口鐵水狀態，控制螺旋粉末給料機實現加注過程的啟動和停止，該方法較好的實現了隨流孕育的自動化功能，解決了劑量一致性及均勻度的問題，但實際應用中仍存在一定的局限性。

首先，紅外傳感器有效感應范圍小，現場應用對安裝位置有嚴格要求，感應探頭必須準確對正鐵水流口，一般適合于澆包位置固定的應用類型，目前國內中小型鑄造廠家的生產設備普遍為低成本的澆包移動式類型，導致該自動加注方式不能得到有效推廣應用；其次，受環境高溫因素的影響，紅外傳感器感應信號不穩定，容易出現誤判，造成孕育劑加注控制過程失常；另外，紅外傳感器有效感應距離短，要求安裝位置與澆注口距離很近，澆注時高溫飛濺的鐵水容易損壞傳感器及構件。

1 硬件組成和基本工作原理

針對現有問題，本系統應用攝像頭跟蹤澆包位置，實時采集澆包狀態圖像信息，由光敏傳感器獲取現場環境光照強度信號作為輔助分析，通過微控制器單元實現信息收集及數據融合，結合預置的控制模型，判別澆注的起始、終止狀態及鐵水流量信息，控制驅動電機轉速，動態調節螺旋粉末給料機出口劑量，實現隨流孕育過程的高度智能化控制功能，跟隨澆注鐵水流量的變化，實現孕育劑加注量的動態調節是本系統的創新特色，具備應用廣泛、可靠性高、環境適應性好的特點。為滿足現生產設備的應用需求，系統設計有孕育劑儲料倉料位檢測、加注速度及加注密度參數設置、工作狀態存儲記錄、系統內部故障自診斷、遠程無線控制等功能，系統硬件組成及其相互關系如圖2所示。

圖2 系統硬件基本結構圖

1） 攝像頭：遠距離安裝于加注設備外部，通過運動導軌跟蹤澆包位置，獲取澆包狀態圖像信息，周期性輸出PAL制式的模擬量信號，經硬件調理電路實現視頻信號同步分離后，傳輸至微控制器單元模/數轉換接口，實現信號采樣、解析及數據融合。實際應用中，通過攝像頭鏡頭加裝濾光片，可有效濾除環境自然光產生的干擾，由于鐵水亮度非常高，各種環境工況下，不會影響圖像信息分析的準確性，經實際驗證，加裝濾光片后，系統圖像信息處理的抗干擾能力明顯增強。

2）料位傳感器：若干光敏電阻按照一定間距構成的陣列，由上至下依次安裝在孕育劑料倉內部，料倉頂部安裝有LED光源，光敏電阻不同受光狀態導致輸出阻值差異，由此分析各獨立光敏電阻的孕育劑粉末覆蓋狀態，判定料倉料位，光敏電阻陣列數量愈多，則料位精度越高，本系統中應用10個光敏電阻構成陣列，檢測精度10%。鑒于料倉一般為非規則外形設計，控制軟件中，需要通過查表方式獲取非線性標定數據。

3）光敏傳感器：獲取現場環境光照強度信號做為輔助分析，既根據采樣信號的階躍變化狀態，激活攝像頭啟動圖像信息采集，由初始幀圖像數據確定澆包內鐵水的可見光照強度閥限值，輔助微控制器完成圖像信息的后處理功能。該應用方案有效提高系統了的適應性及可靠性。

4）控制器單元：應用飛思卡爾公司高性能16位單片機MC9S12XS128為核心，用于前向輸入通道信號采集，完成數據分析、融合及控制策略實現，并生成外部執行器件的驅動控制信號，主要由電源管理、最小應用系統、時鐘電路、輸入信號調理、輸出驅動控制及RS-232通訊接口電路組成，控制器實物如圖3所示。

圖3 控制器實物圖

5）顯示屏：設置參數及工作狀態顯示，選用器件320×240圖形點陣式液晶屏，用于加注密度、加注速度、加注狀態、工作模式、故障信息及系統時鐘等信息顯示功能，界面如圖4所示。

圖4 系統顯示界面

6）驅動電機：拖動機械式螺旋粉末給料機，將孕育劑由料倉均勻傳輸至外部無障礙傳輸管道，不同轉速狀態下，孕育劑傳輸速率不同，基本呈現線性特征，控制器單元生成PWM信號驅動，并結合速度反饋脈沖信號，實現直流電機轉速的閉環控制，完成孕育劑加注量的動態調節。

7）無線接收器和遙控器：手動控制模式下有效，通過遙控器按鈕，人工實現驅動電機的遠程啟停控制，該功能作為傳感器失效狀態下的應急響應模式，避免因設備故障導致生產進度停滯。

8）功能按鍵：人機交互輸入器件，固定于控制器單元面板，用于參數設置及工作模式的切換操作。

系統部件組成如圖5所示。

圖5 系統組成實物圖

2 圖像識別算法實現

鐵水起始澆注時刻、停止澆注時刻及澆注過程中鐵水流量狀態信息的判別是系統的核心技術，本應用軟件中通過圖像識別算法實現，經大量現場測試分析，總結出一個可靠性較高的設計方案。基本設計思想：系統應用光敏傳感器獲取現場環境光照強度信號作為啟動條件，通過攝像頭采集圖像信息，確定澆包及鐵水的大致輪廓，由其輪廓特征確定鐵水的澆注狀態，澆注工況下實現澆包及鐵水圖像剝離，計算鐵水圖像中有效像素點網格面積，估算出鐵水流量的當量值作為加注劑量的動態調節參數。

工作狀態下，系統實時采集光敏傳感器信號，當信號強度階躍范圍超出一定幅值，激活攝像頭啟動圖像采集，并根據預置模型確定當前鐵水圖像的閥限值T。系統中圖像幀信息采樣周期500毫秒，單幀圖像94行有效數據，單行有效點數40個，既單幀圖像簡化為94×40的矩形陣列。根據已確定的鐵水圖像閥限值T，在該陣列中檢索數值不小于T的連續最長一行，該段數據的長度約等于澆包的直徑，記錄該段數據有效點數為X，確定X的中點，即為澆包圓心O的大概位置，為更準確的定位澆包圓心O的位置，在X線段中點附近向上尋找數值不小于T的連續最長一列，記錄點數為Y，通過2Y和X進行比較以驗證澆包圓心O的定位是否正確，由于兩者都代表澆包的直徑，理論上存在對稱性特征，需要指出的是，由于原始圖像幀中行列間距的梯形失真，導致X和2Y在數值上并不相等，但呈現為一定的比例關系，比例系數由攝像頭與澆包直線距離標定校準，該常量參數通過液晶面板設定。

澆包圓心定位通過驗證后，繼續做澆注狀態分析，在澆包圓心O點附近向下尋找數值不小于T的連續最長一列，并記錄點數為H，非加注工況下H約等于Y；加注工況下H應大于Y，一般情況下，當H大于1.5倍Y時為正在澆注。參數位置描述如圖6所示。

圖6 算法相關參數示意圖

加注工況下，實現鐵水流量分析功能，需對圖像信息幀做有效像素點的提取及剝離后處理，既根據已確定的鐵水圖像閥限值T，對采樣點矩形陣列實現圖像銳化及二值化處理，在獲取的位圖數據中，清除離散點及不符合邏輯的干擾點，再根據斜率變化特征，實現鐵水及澆包圖像區域的剝離，計算鐵水圖像中有效像素點網格面積，既有效像素點累加求和的方法，估算出鐵水流量的當量值作為加注劑量的動態調節參數。

該圖像識別算法經大量現場測試，充分證明可靠性高、穩定性好，且該控制算法對攝像頭及光敏傳感器的安裝位置沒有嚴格要求，能更好地適應鑄造車間復雜的生產環境。控制軟件流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

3 結束語

圖像識別算法應用于鐵水澆注過程中起始、終止狀態判別及動態流量分析，實現了隨流孕育過程的高度智能化控制，通過國內某汽車零部件廠的應用驗證，隨流加注過程具備應用廣泛、可靠性高、環境適應性強及安全性好的特點，其中跟隨澆注鐵水流量的變化，實現孕育劑加注量的動態調節方法有效的提高了產品合格率和生產效率。針對澆注過程中，部分鐵水未完全進入模具澆杯口導致鐵水飛濺，影響圖像識別準確性的解決方案有待改進和完善。

總之，應用圖像識別的方法控制孕育劑的隨流加注，相比現有技術而言，有著巨大的優勢和拓展空間，可以預見在不久的將來，必將在鑄造業發揮重要的作用。

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